APUNTES BIOLOGIA, Apuntes de Biología Aplicada

¡Descarga APUNTES BIOLOGIA y más Apuntes en PDF de Biología Aplicada solo en Docsity! Bloc 1 INTRODUCCIÓN A LA BIOLOGIA CELULAR. Tema 1 1.1 INTRODUCCIÓN A LA BIOLOGIA. La Biología es la ciencia que estudia los seres vivos. Su nombre procede del griego “Bios”, que significa vida, y “logos”, que significa estudio o tratado. Así, en el sentido amplio, es la ciencia de la vida, vida que es representada por los diversos organismos que cubren el planeta y que hasta el momento hemos clasificado en 5 reinos, según Wittacker o 6 planteado en el libro de Biggs, así nuestro concepto lo podemos precisar como la ciencia que estudia a los 6 reinos y sus fenómenos comunes: sus orígenes (cómo se formó la vida en la Tierra), su continuidad (cómo se han dado los cambios y transformaciones a lo largo del tiempo), su diversidad (representado por los reinos: monera, protista, fungi, plantas y animales) y sus relaciones ( la manera cómo interactúan los factores bióticos con los abióticos y viceversa). La Biología es una ciencia de actualidad, ofrece una gran esperanza a la solución de problemas que enfrenta la humanidad como es el de la salud, la restauración del medio ambiente, la producción de alimentos. Esta ciencia propone alternativas al manejo de los recursos naturales, facilita la comprensión de los mecanismos bajo los que se rigen los seres vivos y da posibilidad de ubicar nuestro papel como seres humanos en la trama general de la vida. Esta disciplina científica enfrenta grandes retos para buscar solución al problema del SIDA (Síndrome de Inmunodeficiencia Adquirida), del cáncer y a múltiples enfermedades crónico degenerativas. La Biología ha logrado grandes avances al producir vacunas, antibióticos, trasplantar corazones y manipular los genes que permiten producir proteínas como la insulina humana a partir de bacterias, la hormona del crecimiento, sustancias edulcorantes, el factor cicatrizante contenido en la saliva de los perros o el interferón como proteína antiviral. 1.2. Los niveles de organización de la materia viva. La materia viva presenta, como se dijo anteriormente, una gran complejidad, un elevado grado de organización. Esta complejidad puede resultar desesperanzadora para el principiante. Sin embargo, a poco que se profundiza en su estudio, se percibe fácilmente que en la materia viva existe una jerarquía de niveles estructurales de complejidad creciente que se denominan niveles de organización. La sistematización del conocimiento de la materia viva 3 atendiendo a estos niveles de organización facilita enormemente su estudio. Las estructuras que forman parte de cada uno de estos niveles se organizan dando lugar a estructuras más complejas que forman parte del nivel inmediatamente superior, las cuales desempeñan funciones y presentan propiedades que pueden no aparecer en los niveles inferiores; estas funciones y propiedades "nuevas" emergen como fruto del mayor grado de organización y complejidad que presentan los niveles superiores, de la interacción mutua entre las estructuras constituyentes de cada nivel, como una expresión más, en definitiva, de la vieja frase: "el todo es más que la suma de las partes". A continuación, analizaremos brevemente los distintos niveles de organización que habitualmente se consideran en Biología ordenados de menor a mayor complejidad. Tendremos en cuenta además que en cada uno de ellos pueden aparecer varios subniveles de complejidad creciente. a) NIVEL ATÓMICO: Lo constituyen los elementos químicos que forman parte de la materia viva, los cuales reciben el nombre de bioelementos. Es el nivel más simple. b) NIVEL MOLECULAR: Lo constituyen los compuestos químicos que forman parte de la materia viva, los cuales reciben el nombre de biomoléculas. Dentro de él se pueden distinguir varios subniveles: precursores, sillares estructurales, macromoléculas, etc. Facultad de Medicina y Ciencias de la Salud Grado en Nutrición Biología celular y fundamentos de genética. c) NIVEL CELULAR: Está constituido por las células, unidades morfológicas y funcionales de todos los seres vivos. Es el primer nivel cuyas estructuras están dotadas de vida propia. d) NIVEL ORGÁNICO: Lo constituyen los organismos pluricelulares. En ellos las células del nivel precedente se organizan para formar tejidos, éstos a su vez para formar órganos, los órganos se asocian para formar aparatos y sistemas, y el conjunto de todos éstos constituye el organismo propiamente dicho. Tejidos, órganos, aparatos/sistemas y organismos representan diferentes subniveles dentro del nivel orgánico. e) NIVEL POBLACIONAL: Lo integran diferentes tipos de asociaciones de organismos entre sí y con su entorno que constituyen varios subniveles dentro del nivel poblacional. Así, los organismos no viven aislados, sino formando grupos de individuos de la misma especie llamados poblaciones; la asociación de poblaciones de diferentes especies da lugar a comunidades o biocenosis que, en combinación con los factores ambientales propios del lugar en que viven, constituyen los ecosistemas. El conjunto de ecosistemas que ocupan un área geográfica relativamente amplia con características climáticas comunes se denomina bioma, y, por último, el conjunto de los biomas de este planeta da lugar a la biosfera. Los dos primeros niveles analizados se suelen denominar niveles abióticos, pues las estructuras que les son propias (átomos y moléculas) no poseen por sí solas los atributos de la vida. Así, el nivel celular es el nivel inferior cuyas estructuras, las células, están dotadas de vida propia: de un átomo de hidrógeno o de una molécula proteica no tiene sentido decir que "viven" mientras que decirlo de una célula sí lo tiene. Existe sin embargo una notable excepción a esta aseveración que son los virus, parásitos intracelulares obligados, los cuales, aun teniendo un grado de organización inferior al celular, sí poseen algunos de los atributos de la vida. 1-3. Clasificación de la naturaleza: los Dominios y reinos de la naturaleza. La primera clasificación de la Naturaleza la propuso Aristóteles en La Antigüedad. Él clasificó a la Naturaleza en tres reinos: Mineral (no vivos), Vegetal y Animal (vivos). Adicionalmente, a los animales los subdividió en aquellos que tienen sangre roja (que corresponden a los vertebrados) y los que no tienen sangre roja (que corresponden a los invertebrados). Las clasificaciones ya bien sistematizadas se propusieron a partir de La Ilustración. 2. Un sistema de dos reinos: Plantae y Animalia. En 1735, Carolus Linnaeus publicó su Systema Naturae. En esa obra estructuró un sistema de clasificación por los niveles jerárqui cos de reino, clase, orden, género y especie, y aplicó la nomenclatura binomial por género y especie para el estudio sistemático de todos los seres vivos. Facultad de Medicina y Ciencias de la Salud Grado en Nutrición Biología celular y fundamentos de genética. compartimientos tales como las mitocondrias, los cloroplastos, el aparato de Golgi, el retículo endoplasmático, etc. Las células eucariotas representan un progreso en la historia de los organismos vivientes, ya que su estructura compleja significó una evolución en este sentido. Algunos de los organismos que presentan estas células en su interior son: animales, plantas, hongos, etc. A su vez, las células eucariotas se dividen de acuerdo a su origen en: • Célula animal: su característica principal es tanto la carencia de pared celular y cloroplastos, como también la pequeñez de sus vacuolas. Al no contar con una pared celular rígida, estas células son capaces de adoptar múltiples formas. Por otra parte, las células animales tienen la capacidad de realizar la reproducción sexual donde los descendientes se asemejan a sus progenitores. • Célula vegetal: estas células, a diferencia de las animales, cuentan con una pared celular rígida. Además, poseen cloroplastos, a través de los cuales se realiza la fotosíntesis. De esta manera, los organismos constituidos por estas células son autótrofos, es decir, capaces de producir su propio alimento. La célula vegetal se reproduce mediante una clase de reproducción denominada asexual, que origina células iguales a las progenitoras. Facultad de Medicina y Ciencias de la Salud Grado en Nutrición Biología celular y fundamentos de genética. 2.4- ORGANISMOS ACELULARES O ABIÓTICOS. ■ Se denominan formas acelulares a aquellas partículas que no tienen organización celular y cuyo único objetivo es parasitar células para reproducirse en su interior. Es decir, no son células ni se nutren ni se relacionan con el medio; sólo se reproducen. Por ello muchos científicos las consideran en la frontera entre la materia viva y la materia inerte, y quizá uno de los primeros pasos en la evolución precelular. ■ Entre las formas acelulares destacan los virus, los priones y los viroides. Los virus: Se trata de un agente infeccioso acelular parásito obligado. No tiene estructura celular por lo que no es considerado como un ser vivo. Tampoco tiene funciones ni de nutrición ni de relación. Además, está obligado a introducirse en una célula para reproducirse. según los organismos cuyas células pueden verse infectadas por éstos, existen virus vegetales, virus animales, y bacteriófagos. Según su material genético existen virus ADN mono y bicatenarios, y virus ARN mono y bicatenarios. Facultad de Medicina y Ciencias de la Salud Grado en Nutrición Biología celular y fundamentos de genética. TEMA 6 Y 7 MEMBRANA PLASMATICA. 6.1-DEFINICIÓN: Componente universal. Conglomerado molecular activo que limita el contenido de todas las células y facilita el intercambio de materiales y la comunicación entre el medio extracelular y el citoplasma. • Se encuentra rodeando a la célula Facultad de Medicina y Ciencias de la Salud Grado en Nutrición Biología celular y fundamentos de genética. 6.4- ORGANIZACIÓN MOLECULAR DE LA MEMBRANA PLASMÁTICA. Su organización molecular se explica a través del modelo de MOSAICO FLUIDO, propuesto por Singer y Nicholson (1972) y Según este modelo, la estructura básica de la membrana es una bicapa lipídica formada por lípidos anfipáticos en la que las porciones apolares de dichos lípidos se encuentran encaradas unas con otras en el centro de la bicapa y sus grupos de cabeza polares encarados hacia el exterior a ambos lados de la misma. Las proteínas, que son de tipo globular, se encuentran incrustadas a intervalos irregulares en la bicapa manteniéndose unidas a ella mediante interacciones hidrofóbicas entre sus zonas apolares y las zonas apolares de los lípidos. La estructura es fluida, es decir, las moléculas individuales de lípidos y proteínas, debido a que se mantienen unidas por interacciones no covalentes, tienen libertad para moverse lateralmente en el plano de la membrana. La cara externa de la membrana plasmática, la que da al medio extracelular, presenta cadenas oligosacarídicas unidas covalentemente a lípidos o a proteínas; otras membranas celulares no presentan estos componentes glucídicos. En la Figura 11.4 se representa esquemáticamente el modelo del mosaico fluido para la estructura de la membrana plasmática. El modelo del mosaico fluido explica la apariencia trilaminar de las membranas cuando se observan al microscopio electrónico: las dos bandas oscuras externas corresponderían a los grupos de cabeza polares (que contienen átomos más pesados y que por lo tanto retienen más los electrones), mientras que la banda clara correspondería a las colas no polares de los lípidos de membrana (formadas por átomos más ligeros y 4 por lo tanto más transparentes a los electrones). Por otra parte, un grosor de entre 5 y 8 nm es el que cabría esperar de una bicapa de lípidos anfipáticos con proteínas incrustadas en ella y sobresaliendo a ambos lados. Los experimentos llevados a cabo con diferentes tipos de lípidos anfipáticos indican que éstos en medio acuoso tienden espontáneamente a formar estructuras como las micelas, bicapas y liposomas, ya estudiadas anteriormente, lo que también apoya la idea de una bicapa lipídica como elemento básico estructural en las membranas celulares. El cará cter fluid o de las mem bran as se esta bleci ó medi ante el marcaje de moléculas individuales de lípidos y su posterior seguimiento en el seno de la bicapa. Así pudo comprobarse que los movimientos de los lípidos dentro de cada monocapa son muy frecuentes y rápidos, mientras que son mucho más raros los cambios de una a otra monocapa (difusión "flip-flop"). El grado de fluidez de las membranas depende de la temperatura y de la composición en ácidos grasos de sus lípidos constituyentes. A temperaturas muy bajas los lípidos de membrana tienden a adoptar un ordenamiento casi cristalino (paracristalino). Por encima de una temperatura que es característica de cada membrana las moléculas de los lípidos comienzan a moverse y la membrana pasa al estado fluido. La temperatura de transición del estado paracristalino al estado fluido depende de la composición lipídica; los ácidos grasos saturados favorecen un mayor empaquetamiento de los lípidos de membrana y por lo tanto la temperatura de transición será mayor cuanto mayor sea la proporción de éstos ácidos grasos en la membrana. Por el contrario, los cambios de orientación existentes en las cadenas de los ácidos grasos Facultad de Medicina y Ciencias de la Salud Grado en Nutrición Biología celular y fundamentos de genética. insaturados dificultan el empaquetamiento de los lípidos de membrana en un ordenamiento paracristalino, por lo tanto, la temperatura de transición será menor cuanto más abundante sea este tipo de ácidos grasos. Esta es la razón por la que, en los organismos homeotermos, que mantienen una temperatura corporal constante y elevada, abundan los lípidos de membrana ricos en ácidos grasos saturados, mientras que, en los organismos poiquilotermos, incapaces de regular su temperatura corporal, son más abundantes los lípidos de membrana ricos en ácidos grasos insaturados. Se ha comprobado que distintos tipos de células mantenidos en cultivo son capaces de alterar la composición en ácidos grasos de sus lípidos de membrana respondiendo a las variaciones de la temperatura ambiente, todo ello con el objeto de mantener la fluidez de sus membranas celulares. Por otra parte, el colesterol y esteroles afines, debido a la rigidez del sistema de anillos condensados de su molécula, tienden a impedir, actuando a modo de cuña, la agregación de los demás lípidos de membrana en ordenamientos paracristalinos, con lo que también colaboran en el mantenimiento del estado fluido (Figura 11.4). El carácter fluido de las membranas es de una gran importancia biológica. Por una parte, este carácter fluido permite que la membrana, y con ella la célula, sufra deformaciones que son la base de muchos movimientos celulares. Por otra, posibilita que tanto la membrana plasmática, como las de diferentes orgánulos puedan sufrir fenómenos de fusión y escisión del tipo de los que se representan en la Figura 11.5; estos fenómenos, en los que porciones de membrana se desprenden en forma de vesículas para luego fundirse con otras membranas, constituyen la base la base de una compleja relación dinámica entre los distintos compartimentos celulares que se conoce con el nombre de flujo de membrana. Modelo del MOSAICO FLUIDO. La membrana plasmática no es una estructura estática, sus componentes pueden moverse, lo que le proporciona una cierta fluidez. La fluidez es una de las características más importantes de las membranas. Depende de factores como: 1.-La temperatura; la fluidez aumenta al aumentar la temperatura. 2.-La naturaleza de los lípidos; la presencia de lípidos INSATURADOS y de cadena corta favorecen el aumento de la fluidez; la presencia de colesterol endurece las membranas, reduciendo su fluidez y permeabilidad, proporcionándole estabilidad. Con los datos ofrecidos por la microscopía electrónica y los análisis bioquímicos se ha elaborado este modelo de membrana. Características del modelo de MOSAICO FLUIDO: Facultad de Medicina y Ciencias de la Salud Grado en Nutrición Biología celular y fundamentos de genética. 1.-La membrana es como un mosaico fluido en el que la bicapa lipídica es la base o soporte y las proteínas están incorporadas o asociadas a ella, interactuando unas con otras y con los lípidos. Tanto las proteínas como los lípidos pueden desplazarse lateralmente. 2.-Los lípidos y las proteínas integrales se hallan dispuestos en mosaico. 3.-Las membranas son estructuras asimétricas en cuanto a la distribución de sus componentes, fundamentalmente de los glúcidos, que sólo se encuentran en la cara externa. 6.5 PAPEL FISIOLOGICO DE LA MENBRAMA PLASMATICA. 1). Barrera selectiva 2). Centro receptor de estímulos y reconocimiento celular 3). Adhesividad celular 1) BARRERA SELECTIVA A través de la membrana entran unas sustancias, en su mayor parte nutrientes, y salen otras que pueden ser productos de desecho o de secreción elaborados por la célula. La característica más importante de una membrana celular, su permeabilidad selectiva, es decir, la posibilidad de discriminar qué sustancias pueden o no atravesarla. MECANISMOS DE TRANSPORTE. http://www.bionova.org.es/biocast/tema12.htm • TRANSPORTE DE MOLÉCULAS DE BAJA MASA MOLECULAR: Transporte pasivo: En esta modalidad de transporte las sustancias atraviesan la membrana plasmática a favor de gradiente de concentración, es decir, desde el lado de la membrana en el que la sustancia se halla a concentración más elevada hacia el lado en el que dicha concentración es más reducida. El transporte pasivo es un proceso espontáneo y, por lo tanto, no implica ningún consumo de energía. En función de la naturaleza polar o apolar de los diferentes tipos de sustancias que Facultad de Medicina y Ciencias de la Salud Grado en Nutrición Biología celular y fundamentos de genética. potencial de membrana, confiere a las células animales una excitabilidad eléctrica que resulta esencial para la transmisión del impulso nervioso. ESPECIALIZACION DE LA MEMBRANA PLASMATICA PARA AUGMENTAR LA EFICACIA EN EL TRANSPORTE DE MOLECULAS. En la membrana plasmática hay especializaciones estructurales que le ayudan a aumentar la eficacia de la asimilación de moléculas y un ejemplo de esta especialización serían las microvellosidades . Las microvellosidades, Son proyecciones citoplasmáticas nacidas de la superficie celular, rodeadas por membrana plasmática. Se encuentran en muchos tipos celulares, pero están especialmente desarrolladas en algunos epitelios (ej. epitelio intestinal) Debido a que incrementan la superficie de la membrana plasmática, permiten una mayor absorción de agua y de solutos por parte de la célula. Superficie interna del intestino humano = 15 m2 Superficie considerando las microvellosidades = 300 m2 Facultad de Medicina y Ciencias de la Salud Grado en Nutrición Biología celular y fundamentos de genética. TRANSPORTE DE GLUCOSA POR LAS CÉLULAS EPITELIALES INTESTINALES. Cuando la mayor concentración de la glucosa se encuentra al interior de la célula y en el exterior hay solo una pequeña cantidad de glucosa, en este caso se utiliza un transporte activo, es decir será necesario la utilización de energía, para esto se aprovecha la entrada de otra molécula (el sodio) ya que se encuentra en gran cantidad al exterior de la célula y en una pequeña cantidad en el interior de la célula, por lo que su tendencia natural es de entrar. La entrada de sodio mediante un transportador liberará energía y esta energía será aprovechada para arrastras la glucosa hacia el interior de la célula. • TRANSPORTE DE MOLÉCULAS EN MASA- transporte de vesículas. Para que por la membrana plasmática puedan a travesar partículas de macromoléculas es necesario que la célula disponga de mecanismos para incorporar o expulsar partículas de gran tamaño que no pueden atravesar la membrana plasmática. Estos mecanismos son la endocitosis y la exocitosis. • ENDOCITOSIS: La endocitosis es el proceso por el que la célula capta partículas del medio externo; lo hace mediante una invaginación de la membrana en la que se enóloga la partícula para ingerir y se produce la estrangulación de la invaginación, originándose una vesícula que encierra el material ingerido. Es decir, la membrana plasmática rodea la sustancia y la engulle. tipos de endocitosis: • Fagocitosis: si el material que capta es sólido. Ej.: protozous, células de glóbulos blanco en lo humanos. Facultad de Medicina y Ciencias de la Salud Grado en Nutrición Biología celular y fundamentos de genética. • Pinocitosis: implica la ingestión de líquidos y partículas en disolución por pequeñas vesículas revestidas de CLATRINA. (proteína periférica intracelular que tiene la capacidad de cubrir las vesículas intracelulares). • EXOCITOSIS: La exocitosis es el mecanismo por el que las macromoléculas contenidas en vesículas citoplásmicas son transportadas desde el interior celular hasta la membrana plasmática para ser vertidas al medio extracelular. Tipos: • Exocitosis constitutiva se produce en todas las células y se encarga de liberar moléculas que van a formar parte de la matriz extracelular o bien llevan moléculas en la propia membrana de la vesícula que sirven para regenerar la membrana plasmática. Es un proceso constante de producción, desplazamiento y fusión de vesículas, con diferente intensidad de tráfico según el estado fisiológico de la célula. • Exocitosis Regulada: se produce sólo en aquellas células especializadas en la secreción, como por ejemplo las productoras de hormonas, las neuronas, las células del epitelio digestivo, las células glandulares y otras. En este tipo de exocitosis se liberan moléculas que realizan funciones para el organismo como la digestión o que afectan a la fisiología de otras células que están próximas o localizadas en regiones alejadas en el organismo, a las cuales llegan a través del sistema circulatorio, como es el caso de las hormonas. Las vesículas de secreción regulada no se fusionan espontáneamente con la membrana plasmática, sino que necesitan una señal que normalmente es un aumento de la concentración de calcio. Además, necesitan ATP y GTP. Transcitosis: es el conjunto de fenómenos que permite a una sustancia atravesar todo el citoplasma celular desde un polo al otro de la célula. Implica el doble proceso endocitosis- exocitosis. Facultad de Medicina y Ciencias de la Salud Grado en Nutrición Biología celular y fundamentos de genética.